khảo sát tính năng kỹ thuật pin quang điện phywe

TRƢỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ
KHOA SƢ PHẠM
BỘ MÔN SƢ PHẠM VẬT LÝ



KHẢO SÁT TÍNH NĂNG KỸ THUẬT PIN QUANG ĐIỆN
PHYWE
Luận văn tốt nghiệp
Ngành: SƢ PHẠM VẬT LÝ – CÔNG NGHỆ

GV hƣớng dẫn:

Sinh viên thực hiện:

Lê Văn Nhạn

Hồ Thanh Hƣơng
Mã sốSV:1117594
Lớp:TL1192A1
Khóa: 37

Cần Thơ, 2015


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Lê Văn Nhạn

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu do chính tôi thực hiện. Các số liệu,
kết quả phân tích trong luận văn là hoàn toàn trung thực và chưa từng đượccông bố trong
bất kỳ công trình nghiên cứu nào trước đây.

Mọi tham khảo, trích dẫn đều được chỉ rõ nguồn trong danh mục tài liệu tham khảo
của luận văn

Cần Thơ, ngày 27 tháng 04 năm 2015
Tác giả

Hồ Thanh Hƣơng

SVTH: Hồ Thanh Hương

Ngành SP Vật lý – Công nghệ


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Lê Văn Nhạn

MỤC LỤC
PHẦN MỞ ĐẦU

Trang

1.Lí do chọn đề tài ...................................................................................... 1
2.Mục đích nghiên cứu................................................................................ 1
3.Giới hạn đề tài.......................................................................................... 2
4.Các phương pháp và phương tiện thực hiện đề tài .................................... 2

5. Các bước thực hiện đề tài ........................................................................ 2
PHẦN NỘI DUNG
Chương 1: Tổng quang về tình hình sử dụng năng lượng trên thế giới và việt nam
.......................................................................................................................... 3
1.Sơ lược về tình hình sử dụng năng lượng trên thế giới ............................. 3
1.1 Tài nguyên năng lượng là gì............................................................ 3
1.2. Tình hình sử dụng năng lượng trên thế giới ................................... 3
1.2.1. Vài nét về nhu cầu năng lượng thế giới................................. 4
1.2.2. Thời gian sử dụng năng lượng hóa thạch .............................. 4
1.2.3. Tác động của năng lượng hóa thạch với môi trường ............. 5
2. Tình hình năng lượng ở Việt Nam .......................................................... 5
2.1. Năng lượng hóa thạch .................................................................... 5
2.2. Tình hình sản xuất điện năng sử dụng nguồn năng lượng tái tạo .... 7
Chương 2: PIN MẶT TRỜI
1.Lý thuyết về tế bào quang điện ................................................................ 9
1.1. Hiệu ứng quang điện ...................................................................... 9
1.2. Hiệu ứng quang điện trên hệ thống hai mức năng lượng ................ 11
1.3. Hiệu suất của quá trình biến đổi quang điện ................................... 12
1.4. Hiệu ứng quang điện trên lớp bán dẫn pn ....................................... 12
1.5. Đặc trưng Vôn-Ampe tối ............................................................... 14
1.6. Đặc trưng Vôn-Ampe sáng - sự tạo dòng quang năng .................... 14
2. Pin Mặt Trời ........................................................................................... 16
2.1 Tổng quang về pin Mặt Trời ........................................................... 16
i


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Lê Văn Nhạn

2.2. Cấu tạo, phân loại và nguyên lí hoạt động của pin Mặt Trời .......... 17
2.2.1. Cấu tạo ................................................................................. 17
2.2.2. Phân loại ............................................................................... 17
2.2.3. Nguyên lí làm việc của pin Mặt Trời .................................... 18
a. Đặc tuyến IV của pin Mặt Trời .............................................. 19
b. Hiệu suất biến đổi quang năng thành điện năng ..................... 19
c. Nguyên lí của pin Mặt Trời nhiều mức năng lượng................ 21
2.3. Các đặc trưng của pin Mặt Trời ..................................................... 22
2.3.1. Sơ đồ mạch tương đương ...................................................... 22
2.3.2. Dòng đoản mạch ISC ............................................................. 24
2.3.3. Thế hở mạch VOC .................................................................. 24
2.3.4. Điểm làm việc cực đại công suất PM ..................................... 26
2.3.5. Các điều kiện về tải tiêu thụ điện .......................................... 28
2.3.6. Các tham số ảnh hưởng đến chế độ làm việc và hiệu suất của pin
Mặt Trời ............................................................................... 29
2.3.7. Vật bán dẫn cho hiệu suất cao............................................... 31
2.4. Công nghệ chế tạo pin Mặt Trời Si ................................................ 32
2.4.1. Sơ lọc các thạch anh để có silicon có độ sạch kỹ thuật ..................32
2.4.2. Làm sạch tiếp để có silicon có độ bán dẫn......................................33
2.4.3. Tạo đơn tinh thể Si ..........................................................................33
2.4.4. Cắt thỏi Si đơn tinh thể thành các phiến Si .....................................35
2.4.5. Kỹ thuật “kéo” tấm đơn tinh thể Si .................................................36
2.4.6. Tạo tiếp xúc p-n ..............................................................................36
2.4.7. Tạo lớp tiếp xúc Ohmic...................................................................38
2.4.8. Phủ lớp chống phản xạ ánh sáng .....................................................39
2.4.9. Đóng gói các pin Mặt Trời thành module .......................................40
2.5. Các vật liệu và pin Mặt Trời vô định hình ................................................41
2.5.1. Vật liệu pin Mặt Trời ......................................................................41

ii

Luận văn tốt nghiệp
GVHD: Lê Văn Nhạn
2.5.2. Vật liệu pin Mặt Trời màng mỏng ..................................................42
2.6. Ứng dụng pin Mặt Trời .............................................................................47
CHƢƠNG 3: THỰC HÀNH ĐO ĐẠC, LẮP RÁP MẠCH ĐIỆN PIN MẶT TRỜI
........................................................................................................................................51
1.Mục đích ..............................................................................................................51
2. Cơ sở lý thuyết ....................................................................................................51
3. Dụng cụ ...............................................................................................................51
4. Thực hành ...........................................................................................................53
4.1 Trường hợp 1..............................................................................................54
4.2 Trường hợp 2..............................................................................................62
4.3 Trường hợp 3..............................................................................................64
4.4 Đo đạc công suất pin Mặt Trời trong thực tế .............................................68
PHẦN 3. KẾT LUẬN ....................................................................................................69
Tài liệu tham khảo .........................................................................................................70

iii


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Lê Văn Nhạn

PHẦN 1: MỞ ĐẦU
1. LÍ DO CHỌN ĐỀ TÀI
Ngày nay, điện năng có vai trò rất quan trọng trong công nghiệp sản xuất cũng như trong
cuộc sống hàng ngày. Vì thế, muốn cho cuộc sống phát triển bền vững thì nguồn điện

nước ta phải được cung cấp đầy đủ. Tuy biết như thế, nhưng đối với nước ta, điện năng
cung cấp vẫn chưa đáp ứng kịp thời nhu cầu sử dụng, cung không đủ cầu. Nhà nước
khuyến khích người dân sử dụng điện khi cần thiết, tắt hết thiết bị điện khi không sử
dụng nhưng tình trạng thiếu điện vẫn xảy ra, nhất là vào mùa khô, khi các nhà máy thủy
điện không hoạt động hết công suất. Đồng thời, ở nước ta, đường dây điện vẫn chưa đi
đến nhiều nơi, nhất là những nơi xa xôi, đồi núi, vùng hải đảo,…nhiều người vẫn chưa có
điện trong sinh hoạt hằng ngày. Do đó, việc phát triển năng lượng điện được quan tâm
hang đầu trong chương trình phát triển năng lượng quốc gia.
Nhưng phát triển năng lượng điện kéo theo vấn đề môi trường. Trong khi việc xây
dựng các nhà máy thủy điện lại hủy hoại hệ sinh thái một cách nghiêm trọng thì các nhà
máy nhiệt điện lại gây ô nhiễm môi trường và nguyên nhân gây hiệu ứng nhà kính, còn
các nhà máy điện hạt nhân thì đang giai đoạn thiết kế, xây dựng và có nguy cơ bị rò rỉ
chất phóng xạ khi xảy ra các thiên tai như động đất, sóng thần…Cho nên vấn đề được đặt
ra là phát triển xây dựng phải đảm bảo vấn đề bảo vệ môi trường. Trên thực tiễn đó, cần
phải tìm ra nguồn năng lượng khác để thay thế.
Năng lượng Mặt Trời là nguồn năng lượng sạch nhất và vô hạn nhất trong các
nguồn năng lượng mà chúng ta được biết. Bức xạ Mặt Trời chứa một nguồn năng lượng
khổng lồ và là nguồn gốc của mọi quá trình tự nhiên trên Trái Đất. Năng lượng của Mặt
Trời rất dồi dào do đó việc khai thác hiệu quả nguồn năng lượng này được quan tâm
nhiều nhất. Trong các thiết bị sử dụng năng lượng Mặt Trời thì pin Mặt Trời đang được
sử dụng rộng rãi vì chúng rất dễ chuyển đổi, dễ dàng lắp đặt trên các tòa nhà và các cấu
trúc khác. Pin Mặt Trời có thể cung cấp nguồn năng lượng điện sạch, do vậy là nguồn bổ
sung cho nguồn cung cấp điện chính thông thường. Tại các vùng chưa có điện như các
vùng dân cư ở xa, nông thôn, hải đảo, các trường hợp khẩn cấp…Pin Mặt Trời có thể
cung cấp nguồn điện đáng tin cậy.
Trên đây là lý do tôi chọn đề tài “ Pin năng lượng Mặt Trời” để nghiên cứu.

2. MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU
Đề tài này nghiên cứu cấu tạo, nguyên tắc hoạt động và hệ thống điện của pin Mặt Trời.

SVTH: Hồ Thanh Hương

Ngành SP Vật lý – Công nghệ
1


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Lê Văn Nhạn

3. GIỚI HẠN ĐỀ TÀI
-Nghiên cứu lý thuyết của pin Mặt Trời và một số ứng dụng đơn giản trong thiết kế chiếu
sáng.
-Khảo sát thực nghiệm đo đạc, tính hiệu suất của pin Mặt Trời.

4.CÁC PHƢƠNG PHÁP VÀ PHƢƠNG TIỆN THỰC HIỆN ĐỀ TÀI
-Nghiên cứu lý thuyết: quá trình nghiên cứu đòi hỏi sưu tầm nhiều tài liệu liên quan, đọc
tài liệu, phân tích tổng hợp lý thuyết từ đó viết nên cơ sở lý thuyết của đề tài.
-Nghiên cứu thực tiễn.
-Sử dụng kết hợp nhiều phương pháp: so sánh, đối chiếu, phân tích, tổng hợp,…
-Sử dụng các tài liệu tham khảo, sách giáo khoa, internet,….có liên quan đến nội dung
nghiên cứu.
-Thực hành lắp ráp, đo đạc mạch điện.

5. CÁC BƢỚC THỰC HIỆN ĐỀ TÀI
-Nhận đề tài.
-Thu thập tài liệu có liên quan.
-Nghiên cứu tài liệu, viết đề cương chi tiết.
-Tổng hợp lý thuyết viết thành luận văn và trao đổi với giáo viên hướng dẫn.
-Thực nghiệm: đo công suất của pin quang điện.

-Chỉnh sửa hoàn thành luận văn và viết báo cáo.

SVTH: Hồ Thanh Hương

Ngành SP Vật lý – Công nghệ
2


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Lê Văn Nhạn

PHẦN 2: NỘI DUNG
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH SỬ DỤNG NĂNG
LƢỢNG TRÊN THẾ GIỚI VÀ VIỆT NAM
1. SƠ LƢỢC VỀ TÌNH HÌNH SỬ DỤNG NĂNG LƢỢNG TRÊN THẾ
GIỚI
1.1 Tài nguyên năng lƣợng là gì?
“Năng lượng là một dạng tài nguyên vật chất xuất phát từ hai nguồn chủ yếu :
năng lượng Mặt Trời và năng lượng lòng Đất.
Năng lượng Mặt Trời tồn tại ở các dạng chính: bức xạ Mặt Trời, năng lượng sinh
học (sinh khối động thực vật), năng lượng chuyển động của khí quyển và thủy quyển
(gió, sóng, các dòng hải lưu, thủy triều, dòng chảy sông,…), năng lượng hóa thạch (than,
dầu, khí đốt, đá dầu…). Năng lượng lòng đất gồm nhiệt lòng đất biểu hiện ở các nguồn
địa nhiệt, núi lửa và năng lượng phóng xạ tập trung ở các nguyên tố như U, Th, Po…
“Về cơ bản, năng lượng được chia thành hai loại, năng lượng chuyển hóa toàn
phần (không tái tạo) và năng lượng tái tạo dựa trên đặc tính của nguồn nhiên liệu sinh ra
nó.”
Năng lượng chuyển hóa toàn phần : năng lượng hóa thạch, năng lượng nguyên
tử.

Năng lượng tái tạo : Năng lượng Mặt Trời, năng lượng gió, năng lượng thủy
triều, năng lượng thủy điện, năng lượng sóng biển, năng lượng địa nhiệt, năng lượng
sinh khối.
1.2Tình hình sử dụng năng lƣợng trên thế giới
Năng lượng là một đại lượng vật lý đặc trưng cho khả năng sinh công của một
vật hoặc hệ vật. Có nhiều dạng năng lượng như: động năng làm dịch chuyển vật thể, nhiệt
năng làm tăng nhiệt độ của vật thể…
Trong thời kỳ sơ khai của loài người, nhiệt sinh ra do đốt than hoặc khí chỉ được sử dụng
trực tiếp vào việc sưởi ấm và nấu nướng. Sau đó, nhiệt được dùng để chạy máy móc và
xe cộ. Ngoài ra, nhiệt còn làm chạy tuabin máy phát điện để sản xuất điện năng. Điện
năng rất tiện lợi, có thể sử dụng ngay lập tức chỉ bằng việc ấn nút nên được sử dụng rất
rộng rãi.
Trong xã hội văn minh ngày nay, con người không thể sống thiếu năng lượng.
Nhưng do nguồn năng lượng là hữu hạn nên nhân loại phải sử dụng năng lượng một cách
hiệu quả và không lãng phí.

SVTH: Hồ Thanh Hương

Ngành SP Vật lý – Công nghệ
3


Luận văn tốt nghiệp
GVHD: Lê Văn Nhạn
1.2.1 Vài nét về nhu cầu năng lƣợng thế giới.
Nhu cầu năng lượng thế giới có 3 điểm cần lưu ý: Một là, nhu cầu về năng lượng
của thế giới tiếp tục tăng lên đều đặn trong hơn hai thập kỷ qua. Thứ hai là, nguồn năng
lượng hóa thạch vẫn chiếm 90% tổng nhu cầu về năng lượng cho đến năm 2010. Thứ ba
là, nhu cầu đòi hỏi về năng lượng của từng khu vực trên thế giới cũng không giống nhau.
1.2.2 Thời gian sử dụng năng lƣợng hóa thạch

Cho đến nay, con người đã sử dụng một lượng rất lớn năng lượng hóa thạch như
than đá và dầu để đẩy mạnh quá trình phát triển kinh tế và hiện đang phải phụ thuộc vào
nguồn nhiên liệu hóa thạch, chiếm khoảng 80% nguồn cung cấp năng lượng sơ cấp.
Người ta cho rằng còn có thể khai thác dầu trong 40 năm nữa. Số năm có thể
khai thác này được tính bằng cách chia trữ lượng đã biết cho sản lượng khai thác hàng
năm hiện nay.
Trữ lượng dầu là hữu hạn và nếu lượng tiêu thụ dầu của thế giới trong thời gian
tới vẫn tăng thì dần dần chúng ta sẽ phải phụ thuộc vào dầu giá cao. Khi giá cả thị trường
tăng lên, việc ứng dụng kĩ thuật khai thác tiên tiến hơn để lấy được dầu từ những địa tầng
sâu hơn cũng được đẩy mạnh và như vậy trữ lượng dầu có khả năng khai thác cũng sẽ
tăng lên. Nhưng nếu khai thác đến một nửa trữ lượng của mỗi mỏ thì dù trữ lượng còn đó
cũng sẽ dẫn đến suy giảm năng suất và có thể chuyển sang sụt giảm sản lượng.
Do vậy, sản lượng dầu chất lượng tốt trên toàn thế giới sẽ chuyển sang khuynh
hướng giảm trong một thời kỳ sớm hơn so với số năm có thể khai thác, làm giảm khả
năng duy trì sản lượng theo nhu cầu.
Điều đó có nghĩa là chúng ta lo lắng cả về việc tăng giá lẫn việc không đảm bảo
được sản lượng cần thiết. Hơn nữa, hai phần ba tài nguyên dầu lại tập trung chủ yếu ở
khu vực Trung Đông, khu vực vốn không ổn định về chính trị.
Số năm có thể khai thác của khí tự nhiên dự đoán là khoảng 60 năm. Tài nguyên
khí tự nhiên, so với tài nguyên dầu có ưu điểm là có thể đảm bảo được một lượng nhất
định trong khu vực Đông Nam Á và thời gian khai thác cũng lâu hơn. Thực tế là gần 70%
trữ lượng được đảm bảo phụ thuộc vào khu vực Trung Đông và Liên Xô cũ, không thể
không tính đến những tác động và ảnh hưởng của tình hình quốc tế.
Người ta cho rằng số năm còn có thể khai thác than là khoảng 230 năm. Nhưng
vì lượng khí CO2 thải ra trong quá trình sinh năng lượng lại lớn hơn so với các nhiên liệu
hóa thạch khác nên khi sử dụng nguồn nhiên liệu này cần tính đến việc phòng chống các
hiện tượng về môi trường như sự ấm lên của Trái Đất.

SVTH: Hồ Thanh Hương

Ngành SP Vật lý – Công nghệ
4


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Lê Văn Nhạn

1.2.3.Tác động của năng lƣợng hóa thạch đối với môi trƣờng.
Nhiên liệu hóa thạch như dầu, than, khí tự nhiên khi đốt cháy sẽ thải ra khí dioxit
cacbon (CO2), oxit sunphua (SOx), oxit nito (NOx). Khi nồng độ của CO2 trong không
khí tăng lên thì nhiệt độ Trái Đất sẽ tăng lên. Người ta dự đoán rằng nếu nhân loại cứ tiếp
tục đốt các nhiên liệu hóa thạch như thế này và khí CO2 vẫn tiếp tục tăng lên thì sau 100
năm, nhiệt độ trung bình của Trái Đất sẽ tăng lên 2 độ và gây ảnh hưởng rất lớn đến Trái
Đất.
Ngoài ra, SOx, Nox là nguyên nhân tạo ra hiện tượng mưa axit gây tác hại to lớn
đối với động thực vật trên Trái Đất.
*Mưa axit
Sau những năm 50, tác hại của mưa axit ở những nước Bắc Âu đã dần trở thành
một vấn đề làm người ta hết sức quan tâm. SOx, NOx trong khí thải từ các nhà máy và ô
tô của lục địa châu Âu đã tạo ra các phản ứng hóa học trong không khí, rồi di chuyển về
phía Bắc tạo ra mưa axit làm tiêu trụi các cánh rừng, tiêu diệt các sinh vật trong ao hồ và
gây tác hại to lớn trong sản xuất nông nghiệp. Hiện tượng này sau đó liên tiếp xuất hiện ở
khu vực Trung Âu cho đến tận khu vực Bắc Mỹ và gần đây xuất hiện ở cả những khu vực
công nghiệp tập trung của Trung Quốc.
Như vậy, tác hại do ô nhiễm không khí đã vượt ra khỏi biên giới quốc gia và lan
ra một khu vực rộng lớn. Đối sách phòng chống hiện tượng này là cần phải có sự hợp tác
của cộng đồng quốc tế.
*Hiệu ứng nhà kính
Những loại khí như CO2 thải ra trong quá trình đốt nhiên liệu hóa thạch là nguyên nhân

lớn nhất cho vấn đề ấm lên của Trái Đất. Khi nồng độ khí CO2 trong không khí tăng lên,
theo hiệu ứng nhà kính thì nhiệt độ trên toàn Trái Đất sẽ tăng dần lên, khi đó sẽ xuất hiện
những khu vực khí hậu thay đổi. Có nguy cơ thực vật bị ảnh hưởng, sản xuất nông
nghiệp bị tác động làm giảm sản lượng, còn các vùng đất khô cằn dần dần sẽ bị sa mạc
hóa. Hơn nữa, các khối băng ở Nam và Bắc cực sẽ tan ra và nhấn chìm cả lục địa.

2.TÌNH HÌNH NĂNG LƢỢNG Ở VIỆT NAM
2.1. Năng lƣợng hóa thạch
Theo một báo cáo của Bộ Công thương nguồn năng lượng của Việt Nam đang
cạn kiệt dần. Than chỉ còn 3,88 tỷ tấn, dầu còn 2,3 tỷ tấn,.... Ước tính, nguồn năng lượng
tự nhiên hiện nay của chúng ta sẽ cạn kiệt trong thời gian tới, trong đó dự báo nguồn dầu
mỏ thương mại trên thế giới còn dùng khoảng 60 năm, khí tự nhiên 80 năm, than 150-200
năm. Tại Việt Nam, các nguồn năng lượng tự nhiên này có thể hết trước thế giới một vài
SVTH: Hồ Thanh Hương

Ngành SP Vật lý – Công nghệ
5


Luận văn tốt nghiệp
GVHD: Lê Văn Nhạn
chục năm. An ninh năng lượng trở thành vấn đề cấp bách. Vấn đề dầu mỏ hiện nay là một
ví dụ. Các mỏ dầu tập trung chủ yếu ở các vùng mà tình hình chính trị luôn bất ổn và mỗi
cơn khủng hoảng dầu mỏ diễn ra, tình hình thế giới lại lung lay.
Về xăng dầu, hiện nay chúng ta vẫn phải nhập khẩu, cho đến năm 2013 công
suất đạt được 6,5 triệu tấn dầu thô đầu vào/năm và chỉ bổ sung thêm các phân xưởng để
đa dạng hóa được nguồn dầu thô đầu vào, hay mở rộng, nâng công suất lên 10 triệu tấn
dầu thô/năm tại nhà máy lọc dầu Dung Quất vẫn chưa có phương án cuối cùng. Đến năm
2020, khi đưa tiếp hai nhà máy lọc dầu vào hoạt động chúng ta có chừng 15-16 triệu tấn
xăng dầu trong tổng nhu cầu 30-35 triệu tấn. Vẫn phải nhập ít nhất 15 triệu tấn. Rõ ràng,

hiện nay chúng ta chưa tự chủ được nhiều trong vấn đề năng lượng. Trong khi đó, những
tác động của thiếu điện hay tăng giá xăng đều ảnh hưởng xấu lập tức đến nền kinh tế.
Trong bối cảnh đó, các chuyên gia kinh tế năng lượng đã dự báo đến trước 2020,
Việt Nam sẽ phải nhập khoảng 12% - 20% năng lượng, đến năm 2050 lên đến 50% 60%, chưa kể điện hạt nhân. Tình hình năng lượng hiện nay của chúng ta, trong lĩnh vực
điện năng chủ yếu dựa vào nhiệt điện và thủy điện. Thủy điện tuy có tiềm năng phát triển
nhưng lại phụ thuộc và thời tiết, nếu phát triển quá lớn chưa thể lường trước những biến
đổi về dòng chảy tác động tiêu cực đến môi trường sinh thái. Trong khi đó, nhà máy điện
hạt nhân Ninh Thuận là tên gọi chung của chuỗi hai nhà máy điện hạt nhân I và II được
xây dựng tại tỉnh Ning Thuận, Việt Nam với tổng công suất trên 4.000MW. Theo quy
hoạch phát triển điện lực Quốc gia, nhà máy điện hạt nhân I và II được dự kiến khởi công
vào tháng 12 năm 2014 và hoàn thành vào năm 2022, phát điện vào cuối năm 2020, hiện
nay vẫn tiếp tục dời ngày khởi công.
Phần lớn các nhà đầu tư, các doanh nghiệp đều cho rằng suất đầu tư và giá điện
sản xuất từ gió và Mặt Trời khá cao, khó cạnh tranh với điện truyền thống (nhiệt điện và
thủy điện) hiện nay. Suất đầu tư cho nhà máy điện từ than xấp xỉ 1 triệu USD/MW trong
khi điện gió cao gấp 1,2 – 1,7 lần, điện nguyên tử cao gấp 3 -3,5 lần so với nhiệt điện.
Tuy nhiên, dưới cái nhìn của môi trường bền vững, một số nhà kinh tế cho rằng
khi so sánh các loại năng lượng này, nhiều người đã bỏ quên nhiều yếu tố chi phí chưa
được tính đủ như: sản xuất điện từ than gây ô nhiễm lớn ảnh hưởng đến sức khỏe và mất
nhiều kinh phí để khắc phục ô nhiễm (một nhà máy điện từ than công suất 1.000MW,
mỗi năm thải 6 triệu tấn CO2, 44 ngàn tấn SO2, 22 ngàn tấn NOx và nửa triệu tấn thải
rắn). Trong khi đó, khi sử dụng năng lượng sạch tái tạo sẽ giảm khí nhà kính. Chúng ta
có thể “bán môi trường sinh thái” thu về nhiều triệu USD, giảm bớt sự chênh lệch chi phí
giữa hai loại năng lượng.
Tuy nhiên, cách tính này ít được áp dụng vào thực tế, vì nhiều quốc gia trên thế
giới không tính các loại phí “môi trường” vào sản xuất năng lượng. Theo một số chuyên
gia, thực tế giá thành sản xuất than và điện hiện nay cao hơn giá bán, nếu tính đủ các chi
SVTH: Hồ Thanh Hương

Ngành SP Vật lý – Công nghệ

6


Luận văn tốt nghiệp
GVHD: Lê Văn Nhạn
phí ngành điện không thể thu hồi được vốn để tái đầu tư nên vẫn cần Nhà nước bao cấp
để đảm bảo điện năng cho tiêu dùng xã hội. Hiện nay, ngành năng lượng được ưu đãi lớn,
chỉ phải nộp thuế môi trường, hạch toán môi trường vào giá thành. Một số chuyên gia
cho rằng, nếu tính đủ thuế sử dụng tài nguyên, thuế môi trường, tính đủ các yếu tố chi phí
hạch toán vào giá thành, cắt bỏ các ưu đãi bao cấp của Nhà nước trong hạch toán kinh
doanh thì ngay cả các năng lượng truyền thống như nhiệt điện, thủy điện chưa chắc đã rẻ
hơn việc phát triển năng lượng tái tạo, năng lượng mới.
Hiện nay nhiều nước trên thế giới và các nước ASEAN cũng đang hành động để
tăng cường an ninh năng lượng. Và lời giải cho bài toán, đó cũng là các năng lượng tái
tạo và tìm ra nguồn năng lượng mới. Điều đó có thể xóa đi hàng loạt cuộc chiến tranh dầu
mỏ, hay những cuộc khủng hoảng dầu mỏ... Bên cạnh yếu tố giá thành năng lượng, đây
lại là một đóng góp rất đáng quan tâm của những nguồn năng lượng mới.
2.2 . Tình hình sản xuất điện năng sử dụng nguồn năng lƣợng tái tạo
Điện gió: Các dự án điện gió không nối lưới đã xây dựng ở Việt Nam gồm các
tuabin gió quy mô gia đình (150-200kW), chủ yếu lắp đặt ở các khu vực ngoài lưới (các
đảo).
Hệ lai ghép tuabin gió – máy phát điện diezen (30kW) đặt tại huyện Hải Hậu,
Nam Định hiện không hoạt động được do độ cao lắp đặt thấp.
Hệ lai ghép tuabin gió – pin Mặt Trời (2kW) đặt tại huyện Bắc Hà, Kon Tum và
trạm điện gió đảo Bạch Long Vỹ (800kW), hoạt động từ năm 2004. Đây là tuabin gió lớn
nhất ở thời điểm này, nhưng phải ngừng hoạt động sau 1 năm vận hành vì sự cố.
Điện gió ở Bạc Liêu đã triển khai và nối vào lưới điện quốc gia.
Điện Mặt Trời: năng lượng Mặt Trời dùng để sản xuất điện ở Việt Nam chủ yếu
là nguồn điện pin Mặt Trời được áp dụng ở khi nông thôn miền núi, vùng sâu, vùng xa,
hải đảo.

Hiện các hệ thống pin Mặt Trời đã có mặt ở 38 tỉnh thành và một số bộ, ngành
như: Bộ Quốc phòng, Bộ Thông tin và Truyền thông, Bộ Giao thông Vận tải, tập đoàn
điện lực Việt Nam (EVN).... Các nguồn điện pin Mặt Trời này đều không nối lưới, trừ hệ
thống pin Mặt Trời 150kW tại trung tâm Hội nghị Quốc gia là có nối lưới, mới đây đã
khánh thành nhà máy điện Mặt Trời tại Côn đảo.
Tổng công suất đặt pin Mặt Trời của Việt Nam đến nay khoảng 1,4MW.
Năng lượng khí sinh học và sinh khối: Dạng năng lượng này tính đến thời điểm
hiện nay chủ yếu là phát triển nhiên liệu sinh học từ mía, sắn, ngô, dầu cọ, cao lương,
tảo,... Năm 2009 được coi là năm ra đời ngành công nghiệp nhiên liệu sinh học tại Việt
SVTH: Hồ Thanh Hương

Ngành SP Vật lý – Công nghệ
7


Luận văn tốt nghiệp
GVHD: Lê Văn Nhạn
Nam, các nhà máy sản xuất ethanol tại Quảng nam, Phú Thọ, Quãng Ngãi (Dung Quất),
Bình Phước, Đồng Nai đã và sẽ lần lượt đưa vào vận hành. Nhà máy đường Tây Ninh đã
dùng bã mía làm nhiên liệu đốt lò nhà máy điện theo công nghệ đồng phát, nhiều dự án
tương tự đang được triển khai ở miền Nam với nhiên liệu là trấu.
Địa nhiệt: Cách đây 16 năm, Công ty Ormat (Hoa Kỳ) đã đến Việt nam nghiên
cứu phát triển nhà máy điện địa nhiệt, nhưng không phát triển được, mà lý do chính là
không thỏa thuận được về giá bán điện.
Trong các nguồn sản xuất điện bằng năng lượng tái tạo, thì điện Mặt Trời sử
dụng các tấm pin quang điện được đã và đang được quan tâm phát triển hàng đầu.

SVTH: Hồ Thanh Hương

Ngành SP Vật lý – Công nghệ

8


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Lê Văn Nhạn

CHƢƠNG 2.PIN MẶT TRỜI
Năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng sạch và có thể nói là vô tận. Một trong
các kỹ thuật sử dụng nguồn năng lượng này là sản xuất điện năng –điện Mặt Trời. Để sản
xuất điện Mặt Trời người ta dùng hai công nghệ: nhiệt điện Mặt Trời và pin Mặt Trời hay
pin quang điện. Tôi sẽ tìm hiểu công nghệ thứ hai: pin quang điện. Trong công nghệ pin
quang điện, năng lượng Mặt Trời được biến đổi trực tiếp thành điện năng nhờ các tế bào
quang điện bán dẫn. Các pin Mặt Trời sản xuất ra điện năng một cách liên tục chừng nào
có bức xạ Mặt Trời tới nó. Các hệ thống pin Mặt Trời rất đơn giản, không có phần
chuyển động, không đòi hỏi chăm sóc, bảo quản thường xuyên như các hệ thống năng
lượng khác, nên là hệ thống rất được quan tâm nghiên cứu, phát triển và ứng dụng. Ngay
từ năm 1950 các pin Mặt Trời đã trở thành nguồn điện rất tin cậy cho các vệ tinh nhân tạo
và hiện nay là các tàu vũ trụ. Đặc biệt là từ cuộc khủng hoảng dầu lửa năm 1973, các hoạt
động nghiên cứu hoàn thiện pin Mặt Trời phát triển mạnh mẽ. Hiện nay sản xuất pin Mặt
Trời đã trở thành một trong các ngành công nghiệp quan trọng ở nhiều nước công nghiệp
phát triển trên thế giới.
Sau đây nghiên cứu nguyên lí hoạt động và cấu tạo, các đặc trưng cơ bản của pin
Mặt Trời.

1. LÝ THUYẾT VỀ TẾ BÀO QUANG ĐIỆN
1.1.Hiệu ứng quang điện
HIệu ứng quang điện là một hiện tượng điện-lượng tử, trong đó các điện tử được
thoát ra khỏi vật chất sau khi hấp thụ năng lượng từ các bức xạ điện từ.
Hiện tượng: Khi bề mặt của tấm kim loại bị chiếu bởi bức xạ điện tử có tần số

lớn hơn một tần số ngưỡng(tần số ngưỡng này là giá trị đặc trưng cho chất làm nên tấm
kim loại này), các điện tử sẽ hấp thụ năng lượng từ các photon và bậc khỏi bề mặt kim
loại. Khi các điện tử bị bức ra khỏi bề mặt của tấm kim loại, ta có hiệu ứng quang điện
ngoài (external photoelectric effect). Các điện tử không thể bức ra nếu tần số bức xạ nhỏ
hơn tần số ngưỡng bởi điện tử không được cung cấp dù năng lượng được cung cấp để
vượt qua khỏi rào thế (gọi là công thoát). Điện tử phát xạ ra dưới tác dụng của bức xạ
điện từ được gọi là quang điện tử. Ở một số chất khác, khi được chiếu sáng với tần số
vượt trên tần số ngưỡng, các điện tử không bật ra khỏi bề mặt, mà thoát ra khỏi liên kết
với nguyên tử, trở thành điện tử tự do (điện từ dẫn) chuyển động trong lòng của khối vật
chất, và ta có hiệu ứng quang điện trong (external photoelectric effect) . Hiệu ứng này
dẫn đến sự thay đổi về tính chất dẫn điện của vật. Do đó, người ta còn gọi hiện tượng này
là hiện tượng quang dẫn.

SVTH: Hồ Thanh Hương

Ngành SP Vật lý – Công nghệ
9


Luận văn tốt nghiệp
GVHD: Lê Văn Nhạn
Khi chiếu các bức xạ điện tử vào các chất bán dẫn, nếu năng lượng của photon
đủ lớn hơn độ rộng vùng cấm của chất, năng lượng này sẽ giúp cho điện tử dịch chuyển
từ vùng hóa trị lên vùng dẫn, do đó làm thay đổi tính chất điện của chất bán dẫn ( độ dẫn
điện của chất bán dẫn tăng lên khi được chiếu sáng). Hoặc sự chiếu sáng cũng tạo ra các
cặp điện từ-lỗ trống cũng làm thay đổi cơ bản tính chất điện của bán dẫn. Hiệu ứng này
được sử dụng trong photodiode, phototransitor, pin Mặt Trời...
* Các định luật quang điện và giải thích:
Có nhiều người đưa ra các mô hình giải thích khác nhau về hiệu ứng quang điện
tuy nhiên đều không thành công do sử dụng mô hình sóng ánh sáng. Albert Einstein là

người giải thích thành công hiệu ứng quang điện bằng cách sử dụng mô hình lượng tử
ánh sáng. Heinrich Herzt và Stoletov là những người nghiên cứu chi tiết về hiệu ứng
quang điện.
Ở mỗi tần số bức xạ và mỗi kim loại, cường độ dòng quang điện (cường độ dòng
điện tử phát xạ do bức điện từ) tỷ lệ thuận với cường độ chùm sáng tới.
Với mỗi kim loại tồn tại một tần số tối thiểu của bức xạ điện từ mà ở dưới tần số
đó, hiện tượng quang điện không xảy ra. Tần số này được gọi là tần số ngưỡng, hay giới
hạn quang điện của kim loại đó. Giới hạn quang điện của các kim loại thông thường (bạc,
đồng, kẽm, nhôm) ở trong miền tử ngoại. Giới hạn quang điện của các kim loại kiềm,
kiềm thổ (canxi, natri, xesi, kali) ở trong miền ánh sáng thấy được.
Ở trên tần số ngưỡng, động năng cực đại của quang điện tử không phụ thuộc vào
cường độ chùm sáng tới mà chỉ phụ thuộc vào tần số của bức xạ.
Thời gian trong quá trình bức xạ chiếu tới và các điện tử phát ra là rất ngắn, dưới
10 giây.
-9

Albert Einstein đã sử dụng thuyết lượng tử để lý giải hiện tượng quan điện. Mỗi
photon có tần số f sẽ tương ứng với một lượng tử năng lượng ɛ - hv ở đây, h=6,625.10-34
J.s là hằng số Planck.
Năng lượng mà điện tử hấp thụ sẽ dùng cho 2 việc:
Thoát ra khỏi liên kết với bề mặt kim loại (vượt qua công thoát Ф)
Cung cấp cho điện tử một động năng ban đầu Ek max = mv2

(1.11)

Như vậy, theo định luật bảo toàn năng lượng, ta có thể viết phương trình:
hf = Ф + Ek max

(1.12)

Do động năng lun mang giá trị dương, do đó hiệu ứng này chỉ xảy ra khi:
SVTH: Hồ Thanh Hương

Ngành SP Vật lý – Công nghệ
10


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Lê Văn Nhạn
hf ≥ Ф + Ek max

(1.13)

Có nghĩa là hiệu ứng quang điện chỉ xảy ra khi f>f0
f0 = Ф/h chính là giới hạn quang điện của kim loại.
1.2 Hiệu ứng quang điện trên hệ thống hai mức năng lƣợng
Xét một hệ thống hai mức năng lượng điện tử E1 và E2 trong đó E1< E2. Bình
thường điện tử chiếm mức năng lượng thấp hơn E1. Khi chiếu sáng hệ thống, lượng tử
ánh sáng – photon – có năng lượng là hγ với γ là tần số ánh sáng bị lượng tử hấp thụ và
chuyển lên mức năng lượng E2. Phương trình cân bằng năng lượng có dạng:
hv = E1 - E2

(1.21)

Trong các vật rắn, do tương tác rất mạnh của mạng tinh thể lên điện tử vành
ngoài, nên các mức năng lượng của nó bị tách ra , nhiều mức năng lượng rất sát nhau và
tạo thành các vùng năng lượng. Vùng năng lượng thấp bị các điện tử chiếm đầy khi trạng
thái cân bằng gọi là vùng hóa trị có năng lượng bờ phía trên là Ev. Vùng năng lượng phía
trên trước đó hoàn toàn trống hoặc bị chiếm một phần gọi là vùng dẫn, bờ dưới của vùng

năng lượng là Ec. Cách ly giữa vùng hóa trị và vùng dẫn là vùng cấm có độ rộng năng
lượng Eg trong đó không có mức năng lượng cho phép nào của điện tử.
Khi chiếu sáng vào vật có cấu trúc vùng năng lượng nói trên, photon có năng
lượng hv tới hệ thống và bị điện tử ở vùng hóa trịhấp thụ và nó có thể di chuyển lên vùng
dẫn để trở thành điện tử tự do e-, để lại ở vùng hóa trị một lỗ trống có thể coi như “hạt”
mang điện dương nguyên tố, kí hiệu h+. Lỗ trống này có thể “di chuyển” và tham gia vào
quá trình dẫn điện.
Hiệu ứng lượng tử của quá trình hấp thụ photon có thể mô tả bằng phương trình
sau:
ev + hv => e- + h+
Điều kiện để điện tử có thể hấp thụ năng lượng photon và chuyển từ vùng hóa trị
lên vùng dẫn, tạo ra cặp điện tử-lỗ trống là hv =hc/λ ≥ E g = Ec – Ev. Từ đó có thể tính
được bước sóng giới hạn λc của ánh sáng để có thể tạo cặp e- - h+ là (trong công thức này
năng lượng tính bằng đơn vị eV).
λc (µm) =

(1.22)

Trong thực tế các hạt dẫn bị kích thích e- và h+ đều tự phát tham gia quá trình
“hồi phục”, chuyển động tới bờ của các vùng năng lượng: do điện tử e- giải phóng năng
lượng để di chuyển tới vùng bờ dẫn Ec, còn lỗ trống h+ tới bờ Ev. Quá trình hồi phục chỉ
SVTH: Hồ Thanh Hương

Ngành SP Vật lý – Công nghệ
11


Luận văn tốt nghiệp
GVHD: Lê Văn Nhạn
-12

-1
xảy ra trong khoảng thời gian rất ngắn 10 ÷10 s và gây ra dao động mạng (phonon).
Năng lượng bị tổn hao do quá trình hồi phục sẽ là (hγ – Eg).
Tóm lại, khi chiếu sáng vật rắn, điện tử ở vùng hóa trị hấp thụ năng lượng
photon hv và chuyển lên vùng dẫn tạo ra cặp hạt dẫn điện tử - lỗ trống e- và h+, tức là đã
tạo ra một điện thế. Hiện tượng đó gọi là hiệu ứng quang điện trong.
1.3 Hiệu suất của quá trình biến đổi quang-điện
Từ các trình bày ở trên, ta có thể xác định được giới hạn lí thuyết của hiệu suất ŋ
biến đổi năng lượng quang điện của hệ thống hai mức:
ŋ=

∫
∫

( )
( )*

(1.31)

+

Trong đó J0(λ) là mật độ photon có bước sóng λ; J 0(λ)dλ là tổng photon tới có
bước sóng trong khoảng λ → λ +dλ; hc/λ là năng lượng của photon. Tử số của biểu thức
là năng lượng hữu ích mà điện tử hấp thụ từ photon trong quá trình quang điện, còn mẫu
số là tổng năng lượng các photon tới hệ. Như vậy, ŋ là hàm số của Eg (vì λc cũng là hàm
của Eg).
Năng lượng tổn hao trong một quá trình biến đổi quang điện chủ yếu do các
nguyên nhân sau:
-Các photon có năng lượng hγ< Eg hay λ>λc không bị điện tử hấp thụ để tạo
thành cặp e- - h+ mà truyền qua vật rắn.

-Do quá trình hồi phục, điện tử và lỗ trống giải phóng năng lượng ΔE = hv – Eg
cho mạng tinh thể vật rắn để tới đáy các vùng năng lượng.
-Do quá trình tái tổ hợp điện tử - lỗ trống.
Đối với bán dẫn silicon có Eg=1,16eV, tính toán cho thấy 23% mất mát năng
lượng do photon truyền qua, 33% bị mất do quá trình hồi phục e- và h+ tới các bờ vùng Ec
và Ev. Như vậy đối với quá trình quang điện trên vật liệu Si thì về mặt lý thuyết ŋ <0,44.
1.4. Hiệu ứng quang điện trên lớp bán dẫn pn
Từ trên ta thấy rằng khi được chiếu sáng trên vật rắn có thể tạo ra các cặp điện tử
- lỗ trống e- và h+ liên kết yếu với nhau.
Để có thể tạo ra dòng điện, trước hết cần tách e- và h+ khỏi liên kết cặp và sau đó
bắt chúng chuyển động có hướng. Hiệu ứng này có thể thực hiện nhờ một điện trường E
nào đó, ví dụ như sử dụng điện trường định xứ trên lớp tiếp xúc pn giữa hai lớp bán dẫn.
Trong bán dẫn loại n, mật độ hạt điện tử nn rất lớn hơn mật độ lỗ trống pn (nn>>
pn). Vì vậy người ta gọi điện tử là hạt dẫn điện cơ bản, còn lỗ trống là hạt dẫn điện không
cơ bản. Một cách gần đúng thì mật độ điện tử nn gần bằng mật độ tạp chất nguyên tố
donor ND được pha vào bán dẫn tinh khiết. Còn trong bán dẫn loại p, lỗ trống lại là hạt cơ
SVTH: Hồ Thanh Hương

Ngành SP Vật lý – Công nghệ
12


Luận văn tốt nghiệp
GVHD: Lê Văn Nhạn
bản. Mật độ lỗ trống pn lại lớn hơn mật độ điện tử, pn>>nn, mật độ lỗ trống pn gần bằng
mật độ nguyên tử tạp chất acceptor NA được pha vào bán dẫn tinh khiết.
Về mặt năng lượng, sự pha các tạp chất donor và acceptor và bán dẫn tinh khiết
là xuất hiện các mức năng lượng tạp chất trong vùng cấm: các mức tạp chất donor nằm
sát dưới đáy vùng dẫn Ec trong bán dẫn loại n, được biểu thị bằng các dấu “+”. Ngược lại,
các mức tạp acceptor lại nằm sát đỉnh vùng hóa trị trong bán dẫn loại p và được biểu thị

bằng dấu “- “.
Khi cho các bán dẫn n và p tiếp xúc nhau, tạo ra một tiếp xúc điện tử pn, thì do
chênh lệch về mật độ các hạt dẫn, các điện tử sẽ khuếch tán từ bán dẫn n sang bán dẫn p,
còn lỗ trống thì khuếch tán ngược lại. Sự khuếch tán này sẽ làm cho phía bán dẫn n sát
lớp tiếp xúc tích điện dương, còn phía bán dẫn p đối diện tích điện âm. Trong miền tiếp
xúc hình thành một điện trường tiếp xúc hướng từ bán dẫn loại n sang p ngăn cản các quá
trình khuếch tán của điện tử và lỗ trống. Sự hình thành điện trường tiếp xúc dẫn đến sự
tạo ra một hàng rào thế năng ngăn cản sự khuếch tán của các hạt tải điện cơ bản qua lớp
tiếp xúc. Khi đạt trạng thái cân bằng, điện trường và hiệu điện thế tiếp xúc sẽ đạt giá trị
ổn định phụ thuộc vào bản chất vật liệu và nhiệt độ của lớp tiếp xúc và có thể biểu diễn
bằng công thức sau:
Utx =

(1.41)

Và thế năng tiếp xúc qUtx = kTln
Vì

=nn.pn = pp.np → qUtx = kTln

= kTln

Trong đó ni là mật độ điện tử trong bán dẫn chưa pha tạp chất, nó cũng bằng mật
độ lỗ trống pi, T là nhiệt độ lớp tiếp xúc pn, k là hằng số Boltzmann và q là điện tích của
điện tử.
Ở trạng thái cân bằng, độ cao rào thế VD = qUtx có giá trị gần bằng độ rộng vùng
cấm E g của vật liệu và điện trường tiếp xúc có giá trị khoảng Etx ~ 104 ÷ 105 V/cm. Độ
dày của lớp tiếc xúc W có thể được tính theo công thức:
W = Wn + Wp = √

(

)

Trong đó Wn, Wp là các độ dày tiếp xúc ở phía bán dẫn n và p, ɛ0 và ɛ là hằng số
điện và hằng số điện môi của bán dẫn. Giá trị điển hình của W vào khoảng 0,1 ÷ 1 µm.
Chú ý rằng, điện trường và điện thế tiếp xúc chỉ tồn tại trong lớp tiếp xúc, ngoài lớp tiếp
xúc tính chất của vật liệu không thay đổi. Ở lớp tiếp xúc, các hạt dẫn điện tự do đã bị làm
nghèo do quá trình tái hợp và quá trình khuếch tán của các hạt dẫn. Vì vậy, điện trở của
lớp tiếp xúc là rất lớn.

SVTH: Hồ Thanh Hương

Ngành SP Vật lý – Công nghệ
13


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Lê Văn Nhạn

1.5 Đặc trƣng Vôn-Ampe tối
Ta xét tính chất của lớp tiếp xúc khi chưa được chiếu sáng.
Đặt một nguồn thế ngoài vào một lớp tiếp xúc pn và nghiên cứu sự phụ thuộc
của dòng điện qua lớp tiếp xúc và hiệu điện thế đặt vào nó.
Hãy phân cực ngược lớp tiếp xúc pn, nghĩa là nối cực dương của nguồn ngoài
vào bán dẫn n, cực âm vào bán dẫn p. Khi đó, điện trường ngoài E0 và điện trường Etx
cùng chiều. Điện trường tổng hợp E = E0 + Etxtrên lớp tiếp xúc rất lớn, hàng rào thế năng
bị nâng cao lên, do vậy ngăn cản các hạt tải điện cơ bản qua lớp tiếp xúc. Ở trạng thái
này, mặc dù dòng các hạt tải điện cơ bản được gia tốc mạnh, nhưng do mật độ nhỏ nên

dòng các hạt cơ bản nhanh chóng đạt giá trị bão hòa và có giá trị rất nhỏ Is.
Đổi phân cực nguồn ngoài, tức là phân cực thuận lớp tiếp xúc pn ( cực dương
nguồn thế ngoài nối vào bán dẫn p, cực âm vào bán dẫn n). Khi đó điện trường ngoài và
điện trường tiếp xúc ngược chiều nhau, nên điện trường tổng hợp E = E0 + Etx< Etx. Kết
quả là hàng rào thế ở lớp tiếp xúc giảm hoặc bị khử hoàn toàn, dòng các hạt tải điện có
mật độ qua lớp tiếp xúc tăng rất nhanh theo quy luật hàm số mũ. Hàng rào thế năng của
các hạt tải cơ bản ở miền tiếp xúc khi nó bị phân cực ngược và phân cực thuận.
Đường cong khi lớp tiếp xúc khi không được chiếu sáng được gọi là đường đặc
trưng tối Vôn – Ampe (VA) của lớp tiếp xúc và nó được mô tả bằng phương trình điôd
bán dẫn thông thường:
*

+

(1.51)

Trong công thức 2.5, Id là dòng qua lớp tiếp xúc pn, Is dòng điện ngược bão hòa,
V là hiệu điện thế đặt vào lớp tiếp xúc pn, k là hằng số Boltzmann, T là nhiệt độ của lớp
tiếp xúc pn và q là điệnt tích của điện tử. Dòng điện ngược Is phụ thuộc vào mật độ các
hạt tải không cơ bản np,pn, vào độ khuếch tán Ln, Lp và thời gian sống ,
của chúng
theo biểu thức sau:
[(

)

(

)]

(1.52)

Tóm lại, ở trạng thái không chiếu sáng, lớp tiếp xúc pn là một phần tử thụ động,
không tạo ra năng lượng và có tính chất chỉnh lưu, chỉ cho dòng điện chạy qua khi nó
phân cực thuận. Đường đặc trưng Vôn-Ampe tối là đường đặc trưng của điod bán dẫn
thông thường.
1.6 Đặc trƣng Vôn-Ampe sáng – sự tạo dòng quang năng
Chiếu sáng lớp tiếp xúc pn. Dưới tác dụng của các photon ánh sáng, các cặp điện
tử - lỗ trống được tạo thành và do tác dụng của điện trường tiếp xúc Etx nên các cặp bị
tách ra và bị gia tốc về phía đối diện tạo thành một suất điện động quang điện. Nếu nối
các đầu bán dẫn n và p bằng một dây dẫn thì trong dây có một dòng điện – gọi là dòng
SVTH: Hồ Thanh Hương

Ngành SP Vật lý – Công nghệ
14


Luận văn tốt nghiệp
GVHD: Lê Văn Nhạn
quang điện – và có thể cho ở mạch ngoài một công suất hữu ích. Suất điện động quang
điện xuất hiện trong lớp tiếp xúc pn khi chiếu sáng nó, phụ thuộc vào bản chất bán dẫn,
vào nhiệt độ lớp tiếp xúc, vào bước sóng và cường độ ánh sáng tới.
Hiện tượng xuất hiện suất điện động quang điện ở lớp tiếp xúc pn khi chiếu sáng
gọi là hiệu ứng quang điện trong (phân biệt với hiệu ứng quang điện ngoài là hiện tượng
các điện tử thoát khỏi bề mặt kim loại khi chiếu ánh sách thích hợp vào bề mặt kim loại).
Cần chú ý, chỉ có cặp e- và h+ được tạo ra ở miền tiếp xúc hoặc cách miền tiếp
xúc một khoảng LD được gọi là độ dài khuếch tán trung bình của e- và h+ thì mới bị điện
trường tiếp xúc tách ra và tạo ra một dòng quang điện. LD là hàm của hai tham số: độ
linh động của hạt điện µ ( tốc độ chuyển động/ đơn vị điện trường) và thời gian sống
trung bình τ của cặp trước khi bị tái hợp.

LD = f(Lp, Ln)

Trong đó đại lượng D =

(1.61)

(

)

(

)

(

)

(

)

với q là điện tích nguyên tố, gọi là hệ số khuếch tán

của hạt dẫn.
Như vậy dòng quang điện Iph tỷ lệ với tổng số photon bị hấp thụ và có thể được
biểu diễn bởi:
∫

( )

(1.62)

Trong đó K là một hệ số và hiệu suất góp của lớp tiếp xúc, nó có giá trị cực đại
bằng 1. Người ta cũng có thể viết:
Iph = qKNph với Nph = ∫

( )

(1.63)

Ở đây Nph là số các cặp e- và h+ được tạo ra trong giới hạn λc. Khi cho K=1, Nph
và Iph là hàm số của Eg (thông qua λc).
Ta hãy nghiên cứu đường đặc trưng Vôn-Ampe của lớp tiếp xúc pn được chiếu
sáng. Như đã nói ở trên, dưới tác dụng của một chùm sáng có cường độ không đổi, trong
mạch xuất hiện một dòng quang điện Iph nó là dòng chuyển động của các hạt dẫn không
cơ bản.Dòng tổng cộng qua lớp tiếp xúc pn khi đặt một nguồn thế ngoài V có thể biểu
diễn bởi tổng đại số của hai dòng, dòng quang điện Iph và dòng điod Id như sau:
I = Iph - Id = Iph - Is[exp
SVTH: Hồ Thanh Hương

– 1]

(1.64)

Ngành SP Vật lý – Công nghệ
15


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Lê Văn Nhạn
Đường đặc trưng I=f(V) gọi là đường đặc trưng V-A sáng của tiếp xúc bán dẫn
pn. Từ đó có thể thấy là đường đặc trưng V-A của lớp tiếp xúc pn có thể suy ra từ đường
đặc trưng V-A tối của nó bằng cách tịnh tiến theo trục OI trên hệ tọa độ OIV một giá trị
bằng dòng Iph.
Như vậy, một lớp tiếp xúc bán dẫn pn khi được chiếu sáng có thể trở thành một
máy phát điện, cho công suất điện mạch ngoài hữu ích. Thiết bị sử dụng hiệu ứng quang
điện trong trên lớp bán dẫn pn để biến đổi trực tiếp năng lượng của ánh sáng Mặt Trời
thành điện năng gọi là pin quang điện hay pin Mặt Trời.[1][2]

2.PIN MẶT TRỜI.
2.1 Tổng quan về pin Mặt Trời
Năng lượng Mặt Trời là một nguồn năng lượng sạch và có thể coi là vô tận. Một
trong các kỹ thuật sử dụng năng lượng Mặt Trời là sản xuất điện năng – điện Mặt Trời.
Để sản xuất điện Mặt Trời người ta sử dụng hai công nghệ: nhiệt Mặt Trời và pin quang
điện. Trong công nghệ thứ nhất, năng lượng Mặt Trời được hội tụ nhờ các hệ thống
gương hội tụ (như máng parabol, gương cầu, ...) để tập trung ánh sáng Mặt Trời thành các
nguồn nhiệt có mật độ năng lượng cao và do đó có nhiệt độ rất cao, có thể làm bốc hơi
nước ở nhiệt độ và áp suất lớn và sau đó làm quay các tuabin để sản xuất ra điện năng.
Còn trong công nghệ pin Mặt Trời (tế bào Mặt Trời), năng lượng Mặt Trời được trực tiếp
biến đổi thành điện năng nhờ các tế bào quang điện bán dẫn, hay còn gọi là các pin Mặt
Trời, được chế tạo từ các vật liệu bán dẫn điện. Các pin Mặt Trời sản xuất ra điện năng
một các liên tục chừng nào còn có bức xạ Mặt Trời tới nó. Các hệ thống năng lượng pin
Mặt Trời rất đơn giản, không có phần chuyển động, không đòi hỏi phải bảo dưỡng chăm
sóc thường xuyên như các hệ thống Mặt Trời khác... nên các hệ thống khác rất được quan
tâm nghiên cứu, phát triển và ứng dụng.
Pin năng lượng mặt trời (hay pin quang điện, tế bào quang điện), là thiết bị bán dẫn
chứa lượng lớn các diode p-n, dưới sự hiện diện của ánh sángmặt trời có khả năng tạo ra
dòng điện sử dụng được. Sự chuyển đổi này gọi là hiệu ứng quang điện.
Các pinnăng lượng mặt trời có nhiều ứng dụng. Chúng đặc biệt thích hợp cho các

vùng mà điện năng trong mạng lưới chưa vươn tới, các vệ tinh quay xung quanh quỹ đạo
trái đất, máy tính cầm tay, các máy điện thoại cầm tay từ xa, thiết bị bơm nước... Pin
năng lượng mặt trời (tạo thành các module hay các tấm năng lượng mặt trời) xuất hiện
trên nóc các tòa nhà nơi chúng có thể kết nối với bộ chuyển đổi của mạng lưới điện.

SVTH: Hồ Thanh Hương

Ngành SP Vật lý – Công nghệ
16


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Lê Văn Nhạn

Hình 2.1. Pin Mặt trời [6]
2.2 Cấu tạo, phân loại và nguyên lí hoạt động của pin Mặt Trời
2.2.1 Cấu tạo
Pin Mặt Trời được xản suất và ứng dụng phổ biến hiện nay là các pin Mặt Trời
được chế tạo từ tinh thể silicon(Si). Si là một chất bán dẫn điển hình và có hóa trị 4. Từ
tinh thể Si tinh khiết, để có vật liệu tinh thể Si loại n, người ta pha tạp chất donor là
photpho (P) có hóa trị 5. Còn để có vật liệu tinh thể bán dẫn loại p thì tạp chất acceptor
được dùng để pha vào Si là Bo có hóa trị 3. Đối với pin Mặt Trời từ vật liệu tinh thể Si
khi được chiếu sáng thì hiệu điện thế hở mạch vào khoảng 0,55V, còn dòng đoản mạch
dưới bức xạ Mặt Trời 1000W/m2 vào khoảng 25 ÷ 30 mA/cm2. Hiện nay người ta đã đưa
ra thị trường các pin Mặt Trời bằng vật liệu Si vô định hình (a-Si). Pin Mặt Trời a-Si có
ưu điểm là tiết kiệm được vật liệu trong sản xuất do đó có thể có giá thành rẻ hơn. Tuy
nhiên so với pin Mặt Trời tinh thể thì hiệu suất biến đổi quang điện của nó thấp và kém
ổn định khi làm việc ngoài trời.
Ngoài Si, người ta còn nghiên cứu và thử nghiệm các loại vật liệu khác có nhiều

hứa hẹn như hệ bán dẫn hợp chất nhóm III-V, sunfit cadmi – đồng (CuCaS), galliumarsenit (GaAs),.. Tuy nhiên, hiện nay việc nghiên cứu và chế tạo pin Mặt Trời từ các vật
liệu khác Si chỉ mới ở phạm vi và thử nghiệm.
Một hướng khác nhằm nâng cao hiệu suất biến đổi của pin Mặt Trời là thiết kế,
chế tạo các pin Mặt Trời gồm một số lớp tiếp xúc để tăng khả năng hấp thụ photon có
năng lượng khác nhau trong phổ bức xạ Mặt Trời.
2.2.2Phân loại
Cho tới nay thì vật liệu chủ yếu cho pin Mặt Trời (và cho các thiết bị bán dẫn) là
các silic tinh thể. Pin Mặt Trời từ tinh thể Silic chia ra thành 3 loại:
a.Một tinh thể hay đơn tinh thể module sản xuất dựa trên quá trình Czochralski.
Đơn tinh thể loại này có hiệu suất tới 16%. Chúng thường rất mắc tiền do đươc cắt từ các
thỏi hình ống, các tấm đơn thể này có các mặt trống ở góc nối các module.
SVTH: Hồ Thanh Hương

Ngành SP Vật lý – Công nghệ
17


Luận văn tốt nghiệp
GVHD: Lê Văn Nhạn
b. Đa tinh thể làm từ các thỏi đúc – đúc từ silic nung chảy cẩn thận được làm
nguội và làm rắn. Các pin này thường rẻ hơn các đơn tinh thể, tuy nhiên hiệu suất kém
hơn nhưng chúng có thể tạo thành các tấm vuông che phủ bề mặt nhiều hơn các đơn tinh
thể.
c.Dải silic tạo từ các miếng phim mỏng từ silic nóng chảy và có cấu trúc đa tinh
thể, loại này thường có hiệu suất thấp nhất do đó loại này rẻ nhất vì không cần phải cắt từ
thỏi silicon. Các công nghệ trên là sản phẩm tấm, nói cách khác, các loại trên có độ dày
300µm tạo thành và xếp lại để tạo nên module.
2.2.3Nguyên lí làm việc của pin Mặt Trời:

Hình 2.21. Cơ chế hoạt động của pin Mặt Trời [6]

Hình 2.22. Cơ chế hoạt động của pin Mặt Trời [6]
Tóm lại, pin Mặt Trời làm việc theo nguyên lý biến đổi trực tiếp năng lượng bức
xạ Mặt Trời thành điện năng nhờ hiệu ứng quang điện.[3]
SVTH: Hồ Thanh Hương

Ngành SP Vật lý – Công nghệ
18


Luận văn tốt nghiệp
GVHD: Lê Văn Nhạn
a. Đặc tuyến IV của pin Mặt Trời
Dựa trên những tiền đề của Shockley và không có chiếu sáng ta có sự liên hệ
giữa dòng quang điện và điện thế cho lớp chuyển tiếp p-n:
I(V) =

(

⁄

)

(2.21)

Trong đó, I0: dòng điện bão hòa Shockley;

được gọi là điện

thế nhiệt, với T=300K.

Dưới một bức xạ đặc tuyến I(V) bị dịch chuyển theo chiều âm của trục tọa độ I.
Khoảng dịch chuyển này bằng dòng quang điện Iphot (ngắn mạch):
Ta có:

I(V) =

(

⁄

)

(2.22)

Nếu lớp chuyển tiếp p-n trong phần I và III của mặt phẳng tọa độ, lớp p-n đóng
vai trò như một Photodiode. Trong trường hợp này sự dịch chuyển của đặc tuyến theo
cường độ chiếu sáng được sử dụng trong các mạch điện dùng để đo đạc hay tự động
hóa…
Nếu lớp chuyển tiếp p-n làm việc trong phần tư thứ IV của mặt phẳng tọa độ thì
điện thế của lớp chuyển tiếp p-n và dòng điện qua lớp chuyển tiếp p-n có dấu khác
nhau, ta có chế độ làm việc của một máy phát điện. Linh kiện này được gọi là tế bào
mặt trời hay tế bào quang điện. Tế bào quang điện có khả năng cho ta một công suất
hiệu dụng Pphot khi được chiếu sáng. Như máy phát điện, tế bào mặt trời cũng có đặc
trưng tiêu biểu với điện thế hở Vop và dòng ngắn mạch Iphot.
Khi những photon của ánh sáng thẩm thấu vào mạng tinh thể của lớp chuyển
tiếp p-n thì nó sẽ truyền năng lượng cho mạng tinh thể. Năng lượng này kích thích các
nguyên tử của mạng tinh thể để cho các electron ở tầng ngoài được tự do. Các electron
này biến thành các electron dẫn điện và để lại các nguyên tử có điện tích dương. Ta gọi
hiệu ứng này là hiệu ứng quang điện bên trong. Điện thế khuếch tán hút các electron tự
diode này từ vùng sang vùng n và các lỗ trống từ vùng n sang vùng p.

Vùng n sẽ được tích tụ rất nhiều electron và vùng p tích tụ rất nhiều lỗ trống
đến khi nào điện trường được hình thành từ electron và lỗ trống trung hòa điện thế
khuếch tán. Ta có điện thế hở của tế bào mặt trời. Nối tắt vùng p-n của tế bào mặt trời ta
có một dòng điện ngắn mạch Iphot tỉ lệ với cường độ chiếu sáng.
b. Hiệu suất biến đổi quang năng thành điện năng
Khi nói về cơ chế hoạt động của của một lớp p-n khi bị chiếu sáng. Hai thông số
quan trọng của tế bào quang điện hay tế bào mặt trời đó là hiệu suất biến đổi và công suất
hiệu dụng. Khác với tế bào mặt trời, tế bào quang điện được cấu tạo với những cấu trúc
SVTH: Hồ Thanh Hương

Ngành SP Vật lý – Công nghệ
19


Luận văn tốt nghiệp
GVHD: Lê Văn Nhạn
bé cho công suất nhỏ và không được tối ưu cho phổ mặt trời. Mặt trời cho một phổ rộng
nhưng vật liệu bán dẫn chỉ hấp thụ ánh sáng đơn sắc cho dòng quang điện hữu ích. Và chỉ
có những quang tử có năng lượng lớn hơn độ rộng vùng cấm mới đóng vai trò biến đổi
năng lượng. Những quang tử còn lại chỉ tạo nhiệt năng tỏa vào mạng tinh thể. Khoảng
cách vùng cấm càng bé thì thì số quang tử hữu ích biến thành điện năng càng lớn, nhưng
điện thế quang điện càng bé, hiệu suất biến đổi là tỷ lệ công suất hiệu dụng lớn nhất và hệ
số mặt trời S là:
ŋ=

(

)

(2.23)

Năng lượng mặt trời đến bề mặt trái đất tùy thuộc vào nhiệt độ của bề mặt mặt
trời và khoảng cách giữa mặt trời và trái đất. Nó giảm theo bình phương của khoảng cách
giữa chúng. Phản ứng nhiệt hạch bên trong mặt trời cung cấp liên tục năng lượng mà mặt
trời phóng thích. Các ngôi sao trong vũ trụ có nhiệt độ bề mặt từ 5000K đến 10.000K.
Mặt trời có nhiệt độ khoảng 5800K. Với nhiệt độ này thì các nguyên tử được thể hiện
dưới dạng nguyên tử phần lớn đều bị ion hóa và cho ta một số lượng lớn đường hấp thụ,
lớp khí trên bề mặt của mặt trời có thể coi như vật đen phát ra bức xạ. Theo định luật
Stefan – Boltzmann thì năng lượng của một vật đen sẽ tăng theo lũy thừa bậc bốn theo
nhiệt độ của nó.
Ta có công suất bức xạ từ mặt trời đến trái đất như sau:
( ) .σ

(2.24)

Trong đó, σ = 5,67.10-8 W/m2 K4: hằng số Stefan – Boltzmann.
rs= 0,696.109 m: bán kính mặt trời.
rE= 6,38.106 m: bán kính trái đất.
rse= 1,496.1011 m: khoảng cách trái đất đến mặt trời.
TS=5800K: nhiệt độ bề mặt của mặt trời.
Công suất đến trái đất PS = 1,776.1017 W hay 1,5.108 kWh trong một năm. Do
quỹ đạo của trái đất có hình elip nên công suất này thay đổi theo thời gian trong năm.
Công suất lớn nhất có thể lấy được từ một tế bào mặt trời tùy thuộc vào điện tích ngăn
cách bởi đặc tuyến I(U) và hai trục tọa độ với dòng ngắn mạch và điện thế mạch hở. Đặc
tuyến trong vùng này bị thay đổi do ảnh hưởng của điện trở vật liệu bán dẫn. Công suất
của tế bào mặt trời còn bị các nguyên nhân khác làm suy giảm đi do sự tái hợp trong
vùng điện tích không gian và vùng dẫn điện và sự phản chiếu.

SVTH: Hồ Thanh Hương

Ngành SP Vật lý – Công nghệ
20